Выбор схемы синхронизации выносного блока ЦАП

 

В данной статье делается попытка  обзора возможных схем синхронизации транспорта и выносного блока ЦАП с целью выбора оптимального варианта.

Для простоты ограничимся вариантом работы от источника CD-DA с частотой дискретизации 44.1 кГц. Блок ЦАП будем рассматривать состоящим из приемника аудиоданных (к примеру CS8412), цифрового фильтра восьмикратной передискретизации, и собственно м\с ЦАП. Данный набор кристаллов далеко не единственный, но достаточно традиционный в домашнем “ЦАПо-сторении”. Критический путь тактового сигнала на схемах выделен толстой стрелкой.

 

Для начала рассмотрим базовые варианты схем синхронизации. Все известные схемы синхронизации отдельных модулей можно свести к трем базовым вариантам (названия условны):

• Централизованная синхронизация
• Распределенная синхронизация
• Асинхронное построение

 

Централизованная синхронизация системы транспорт-ЦАП предполагает наличие единого задающего тактового генератора с подачей синхросигнала на все части системы. Строго говоря, сам транспорт нельзя рассматривать как систему с чисто централизованной синхронизацией в силу того, что он содержит несколько следящих систем синхронизации (схема трекинга, EFM демодулятор и тд) с различными тактовыми частотами, синхронизированными друг с другом. Но для простоты примем, что транспорт тактируется единым синхросигналом. Данный принцип построения является самым простым и эффективным, но требует наличия дополнительного интерфейса между частями системы для передачи общего синхросигнала. Примерами построения систем транспорт-ЦАП, основанных на данном принципе, являются варианты B, F, G (см ниже).

 

Распределенная синхронизация подразумевает, что тактовая частота, необходимая для работы конкретной части системы тем или иным образом выделяется из внешнего сигнала (тактового или данных). Существуют различные схемы выделения тактового сигнала, но чаще всего это выделение происходит путем применения локального генератора (ГУН), охваченного петлей ФАПЧ и синхронизированного с внешним сигналом. В случае, когда приемник и передатчик данных разнесены в пространстве (скажем в радиосвязи) – это единственные способ эффективного приема и выделения информации. Рассмотрим, для примера, вариант, когда тактовый сигнал регенерируется с помощью ГУНа (в частности приемник CS8412). В этом случае, параметры вновь синтезированного тактового сигнала определяются несколькими факторами – параметрами самого ГУН, полосой ФАПЧ, качеством опорного (внешнего) сигнала, качеством реализации всей схемы наконец. Наиболее эффективный вариант данного подхода – использование высококачественного интегрального ГУНа, охваченного узкополосной петлей ФАПЧ, но имеющего при этом достаточный диапазон перестройки по частоте. Примерами построения систем транспорт-ЦАП, основанных на данном принципе, являются варианты А, С (см ниже).

 

Асинхронное построение подразумевает, что тактовые частоты транспорта и ЦАП не равны (полностью независимы). В данном случае возможно высококачественное тактирование ЦАП и хорошая развязка от транспорта. Единственная проблема, возникающая в этом случае заключается в необходимости буферизации или преобразовании данных, передаваемых от транспорта в ЦАП. Примерами построения систем транспорт-ЦАП, основанных на данном принципе, являются варианты D, E, H (см ниже).

 

Каждый из рассмотренных ниже вариантов построения синхронизации, а равно как и любые другие возможные варианты, являются комбинацией перечисленных выше трех базовых принципов.

 

 

 

• Традиционное построение (A).
  
  
  
  
  
  Источником тактового сигнала служит генератор, установлений в транспорте. В наилучшем случае, это отдельный TCXO генератор, но в массовой аппаратуре, как правило, тактовый генератор выполнен на логическом элементе, являющимся частью многофункциональной СБИС. На пути к м\с ЦАП, тактовый сигнал проходит различные устройства, а именно:
• генератор тактового сигнала. Типичное бюджетное решение – совмещение тактового генератора и многофункциональной СБИС сервоконтроллера. Совмещение генератора и сервоконтроллера приводит к заметной на слух деградации звучания.
• передатчик формата S/PDIF, в котором происходит формирование композитного цифрового сигнала (Манчестерский код) для передачи данных по однопроводной линии;
• линия передачи (коаксиальная, оптическая или согласованная витая пара);
• приемник  S/PDIF, в котором происходит восстановление тактовых сеток и цифровых данных, передаваемых от транспорта. При этом, для восстановления тактовых сеток используется внутренний ГУН, охваченный петлей  широкополосной ФАПЧ. Большая ширина полосы ФАПЧ обусловлена необходимостью захвата и синхронизации системы ФАПЧ сигналом с одной из трех стандартных частот дискретизации (32, 44.1, 48 кГц). Спектр восстановленного сигнала в полосе ФАП (около 20 кГц) полностью определяется спектром входного композитного сигнала, являющегося опорным для внутреннего генератора. В более дальней зоне, спектр восстановленного сигнала определяется собственным спектром ГУН.
  В некоторых м\с приемников S/PDIF (UltraAnalog AES20/AES21) используется узкополосная, около 1 кГц, ФАПЧ, позволяя подавить более высокочастотные фазовые флюктуации композитного цифрового сигнала.
  Необходимо заметить, что обеспечение более узкой полосы ФАПЧ ограничивается не только и не столько требованиями перестройки ГУН, сколько собственной нестабильностью локального генератора.
• Цифровой фильтр передискретизации. Некоторые разработчики данных СБИС уверяют, что устройство не добавляет джиттер на выходе. Однако, эти утверждения вызывают сомнения. Достаточно посмотреть величину разброса задержки выходных данных относительно фронта тактового сигнала (256х). В частности, в документации на цифровой фильтр PMD-100 фирмы Pasific Microsonics, указывается, что реализация потенциала Ц\А преобразования может быть достигнута только при пересинхронизации данных на выходе ЦФ (непосредственно на входе м\с ЦАП) с помощью отдельных триггеров. Естественно предполагается, что тактовый сигнал для пересинхронизации должен быть как можно более стабильным.

Достоинство у данного варианта построения только одно – простота реализации, так как все элементы  тракта (микросхемы и интерфейсы подавляющего большинства транспортов \ проигрывателей) ориентированы именно на этот подход. Недостатки очевидны – каждый элемент в цепочке от тактового генератора в транспорте до входа ЦАП добавляет фазовых флюктуаций. В частности, качество изготовления  и импеданс межблочного кабеля оказывает заметное на слух влияние, что  порождает дискуссии о “звучащих” ЦИФРОВЫХ кабелях. Тем не менее, при грамотном подходе в использовании каждого элемента тракта, можно получить очень неплохие результаты. Различные конструкции ЦАПов, базирующихся на данном подходе, можно, в частности, посмотреть на сайте Александра Петровкого: http://www.zeuslab.newmail.ru

• Улучшенный вариант традиционного построения (B).
  
  
  
  
  Для передачи цифровых данных используется интерфейс I2S (DATA, BCK, WCK, MCLK). Каждый из цифровых сигналов передается по отдельной шине (обычно коаксиальный кабель для тактового высокочастотного сигнала и плоский кабель для остальных сигналов).  При данном построении, из пути передачи тактового сигнала исключается передатчик и приемник интерфейса S/PDIF. Предполагается, что транспорт должен обладать высококачественным тактовым генератором. Однако, мне не известно ни одного промышленного бытового проигрывателя (транспорта), обладающего интерфейсом I2S для связи с внешним блоком ЦАП.
  Тем не менее, в 90-х годах фирмой UltraAnalog Inc. было предложено принять стандарт I2S*Enhanced, отличающийся от обычного протокола I2S тем, что имелись дополнительные сигналы (два для передачи Master Clock, один для передачи Slave Clock и пара управляющих), для реализации работы ЦАП как Мастера (а транспорта, соответственно, как ведомого устройства). Все сигналы предполагалось передавать согласованными линиями (коаксиальными для тактовых сигналов, и витой парой для остальных). Предложение, судя по всему, не получило поддержки у производителей массовой аппаратуры, и осталось на бумаге. Да и фирма UltraAnalog Inc. в скором времени перешла под управление одного из производителей аппаратуры High End Audio (Wadia), и по сути, прекратила свое существование. Именно стандарт I2S*Enhanced мог бы стать окончательным и достойным решением проблемы синхронизации в бытовых аудио комплексах. Единственным аппаратом, оснащенным интерфейсом I2S*Enhanced, является Sonic Frontiers Transport 3 and Processor 3.

В качестве примера реализации интерфейса I2S в домашних условиях можно привести проект “LYNX 7” Дмитрия Андронникова: http://lynxaudio.narod.ru/schemes/sch_02.pdf

• Вариант с высококачественным ГУН (C).
  
  
  
  
  Отличается от традиционного подхода (А) наличием высококачественного ГУН, синхронизированного с частотой дискретизации транспорта. Данный ГУН заменяет собой, по сути, встроенный в приемник низкокачественный ГУН. Петля ФАПЧ, охватывающая ГУН, отслеживает только медленные изменения тактовой частоты транспорта (полоса ФАПЧ  - единицы герц). Недостаток данного варианта, на мой взгляд, в том, что фазовые флюктуации генераторов, управляемых напряжением (VCO), как правило выше, чем традиционных TCXO. Кроме того, реализация потенциала ГУН может быть достигнута только при соответствующем качестве элементов петли ФАПЧ и топологии печатной платы. Данный вариант предполагает работу только с одним источником цифровой информации (как правило, CD-DA, 44.1 кГц), поскольку высококачественный ГУН имеет, как правило, узкий диапазон перестройки по частоте. Грамотный со всех точек зрения проект, основанный на данном подходе, представлен на сайте: http://members.brabant.chello.nl/~m.heijligers/DAChtml/dactop.htm
  
  
  
• Вариант с преобразователем частоты дискретизации (D).
  
  
  
  
  Асинхронный преобразователь частоты дискретизации (ASRC) разрабатывался для применения в аппаратуре при передаче данных между двумя устройствами с различающимися частотами дискретизации (к примеру, при конвертации из формата 48 в 44.1 кГц). Внутреннее построение и алгоритм работы устройства достаточно сложны, но в первом приближении его можно рассматривать как сверхвысокочастотный интерполятор с последующей вторичной дискретизацией. В нашем случае, данные записываются в ASRC с частотой, определяемой транспортом, а считываются с частотой, определяемой локальным тактовым генератором. При этом необходимо иметь в виду, что устройство производит цифровую обработку данных (интерполяцию), и значения отсчетов на выходе могут не соответствовать значениям отсчетов на входе. Кроме того, вопрос о том, передается ли джиттер через данное устройство, до конца не ясен. Но безусловно то, что данное устройство позволяет в значительной мере решить вопрос с синхронизацией транспорта и ЦАПа. Как положительное свойство данного подхода, можно указать на возможность использования данного преобразователя для повышения частоты дискретизации в 2…4 раза (up-sampling) вместо традиционного цифрового фильтра. Кроме того, достоинство данного метода построения заключается в возможности иметь только один тактовый генератор (к примеру частотой 12,288 МГц) при приеме данных от разных цифровых источников информации (32, 44.1, 48, 96 … кГц), в силу асинхронности работы устройства. В качестве примера реализации подобного принципа можно сослаться на проект EVEREST Александра Петровского: http://www.zeuslab.newmail.ru/everest_cl_one.htm
  
  

 

• Вариант с буферизацией данных в ОЗУ (E).
  
  
  
  
  Вопрос с передачей данных между двумя асинхронными устройствами можно решить, применив буфер (ОЗУ), запись в который производится с частотой, определяемой транспортом, а считывание, обработка в ЦФ и работа ЦАП – с частотой локального TCXO. Объем буфера определяется максимальной разностью частот дискретизации, разрядностью одного отсчета, и временем работы без переполнения. При формате данных 16 бит, максимальном отклонении частот 400 ррм, и временем непрерывной работы 80 мин, получим значение объема ОЗУ около 700 килобайт. Иными словами, для реализации данного подхода необходимо наличие 700 килобайт ОЗУ и схемы управления процессом записи \ считывания отсчетов. Несмотря на громоздкость, данный вариант также решает проблему джиттера транспорта ПКД. К сожалению мне не удалось найти в сети ссылки на проект, базирующийся на данном принципе синхронизации.
  
  
• Вариант синхронизации от блока ЦАП (F).
  
  
  
   
  Если транспорт имеет возможность синхронизации от внешнего источника, то такая конфигурация также позволяет достичь низких величин джиттера на входе м\с ЦАП. Данный вариант аналогичен варианту с I2S*Enhanced, за тем отличием, что данные от транспорта к ЦАП передаются по традиционному интерфейсу S/PDIF, а сигнал синхронизации может подаваться либо по коаксиальной, либо по оптической линии связи. Недостаток данного варианта (как и вариантов С, Е и I2S*Enhanced) состоит в том, что для работы с различными цифровыми источниками (32, 44.1, 48 кГц) необходимо либо иметь несколько отдельных генераторов, либо строить перестраиваемый генератор (DDS или VCO). В последнем случае, величина фазовых флюктуаций может быть неудовлетворительной. Для использования выносного блока ЦАП только с одним цифровым источником (CD-DA), данный вариант, на мой взгляд, оптимален.
  
  

 

• Вариант синхронизации от отдельного блока Master Clock Generator (G).
  
  
  
  
  
  Вариант аналогичен варианту (E), с той разницей, что тактовый генератор вынесен в отдельный блок, и питает собой все устройства тракта. Если Master Clock Generator поддерживает частоты дискретизации 32, 44.1, 48 кГц (и их производные), то это решает вопрос совместимости блока ЦАП с различными цифровыми источниками. Данное построение характерно для профессиональной аппаратуры. Тем не менее, качество передачи тактового сигнала от Master Clock Generator к блоку ЦАП будет влиять на качество конечного цифро-аналогового преобразования. Но, это влияние будет, все же, гораздо менее выражено, чем при традиционном построении (А) (это обусловлено отсутствием композитного цифрового сигнала, и возможностью использовать синусоидальный сигнал в качестве синхронизирующего).
  
  


• Вариант асинхронного тактирования ЦАП (H).
  
  
  
  В данном случае, поток данных с выхода S/PDIF приемника не синхронизирован с тактовым сигналом задающего генератора. Частота тактового генератора выбирается много больше частоты следования цифровых символов. При пересинхронизации данных на входе ЦАП, происходят регулярные скачкообразные флюктуации фронтов цифровых сигналов. В зависимости от разности частот транспорта и тактового генератора ЦАП, частота следования таких временных флюктуаций может сильно варьироваться. Строго говоря, так делать не правильно (попадание “фронт-на-фронт” двух сигналов на входах триггера может привести к искажению информации), но подобные схемы существуют, и показали положительные результаты по сравнению с традиционным подходом (А). Сказать, насколько данный подход хуже синхронного построения (G, F) не представляется возможным. Наверное, такое построение можно рассматривать как “бюджетный” вариант решения проблемы джиттера. Подробнее о подобной реализации можно прочитать в приложении к журналу “Салон AV”, #11, 2002.

 

Необходимо отметить, что независимо от варианта построения, желательно пересинхронизировать  все данные (или как минимум сигнал WCKO) непосредственно на входе м\с ЦАП с помощью отдельных триггеров . В качестве синхронизирующего сигнала разумно использовать наиболее стабильный из имеющихся в устройстве тактовых сигналов. Естественно, разработка цифровой схемы пересинхронизации требует учета всех особенностей используемых компонентов (максимальные задержки, формат данных и тд).

 

Исходя из анализа различных схем построения выносного блока ЦАП, мной было разработано устройство, сочетающее в себе особенности вариантов (F) и (G) . Основным цифровым источником для ЦАП был признан CD-DA. По состоянию на март 2003 г., проект находится в стадии разводки печатной платы. По завершении конструирования и получении результатов прослушивания, будет представлено подробное описание конструкции. Тем не менее, текущую версию принципиальных схем и описания конструкции можно посмотреть на моем сайте:

http://sergeysvs.narod.ru

 

Для реализации входа синхронизации в бытовом проигрывателе КД можно использовать несложное устройство, описанное мной ранее:

http://www.hi-fi-music.ural.ru/hifiru/pages/special/diy/cd_clocking.html

http://www.hi-fi-music.ural.ru/hifiru/pages/special/diy/cd_clocking2.html

 

 

 

 

Сергей Смирнов, 2003.